可同时排除质子的仿生人工水通道被开发

　　水通道蛋白 (AQP) 在介导高选择性超快水传输方面的出色能力激发了超分子单价离子排除人工水通道 (AWC) 的最新发展。基于 AWC 的仿生膜被提议用于海水淡化、水净化和其他分离应用 。虽然最近在合成接近 AQP 的水渗透性和离子选择性的 AWC 方面取得了一些进展，但 AQP 的标志性特征——高水传输同时排除质子——尚未重现。

　　2021年5月20日，海南大学曾华强团队在Nature Nanotechnology （IF=31.54）在线发表题为“Foldamer-based ultrapermeable and highly selective artificial water channels that exclude protons”的研究论文，该研究报告了一类仿生的、螺旋折叠的成孔聚合物折叠体，可作为高选择性超快导水通道，其性能超过 AQPs（AQP1 每秒 1.1 × 10^10 水分子），具有内孔表面的模块化可调疏水性赋予的水对单价离子传输选择性。此处报道的性能最佳的 AWC 以异常高的速率传输水，即 AQP1 的 2.5 倍，同时排斥盐（NaCl 和 KCl）甚至质子。

　　从大自然中汲取灵感，仿生学为一系列复杂问题提供了丰富而有效的技术解决方案。仿生学中一个具有挑战性的研究方向是人造材料在多大程度上可以模仿自然，甚至超越宏观和纳米尺度上在自然界中看到的界限。在分子水平上，生物通道通过精确控制的同源物种（包括水、钾 、钠、钙、氯化物和质子）的定向流动在无数细胞过程中发挥不可或缺的作用。这些精确控制的流动通过狭窄的——通常是充满水的——跨膜孔发生。

　　然而，在许多天然膜通道中共同看到的两个高度集成的典型特征——与高渗透率无缝集成的高选择性——极难在人工开发的膜材料中复制，尤其是人工通道和载体。事实上，尽管在过去的四个十年中取得了许多进步, 但没有任何人工通道或膜能够达到生物通道如钾通道 (KcsA) 和水通道蛋白 (AQP) 中离子、质子或水分子的跨膜转运性能。AQP 在运输水的同时排除质子的独特能力将水运输与跨膜质子梯度的维持分离，这在以前在人工通道或工程生物通道中没有重现。通过极简的仿生方法，该研究成功地在水传输速率方面优于 AQP1，同时保持对盐（NaCl 和 KCl）和质子的高排斥率。

　　AQP1 出色的水和离子传输性能（每秒约 1.1 × 10^10 水分子，同时排除所有离子），激发了基于 AQP 的仿生膜的开发工业和市政脱盐和水净化应用。然而，基于蛋白质的膜预计具有高生产成本，并且在工业用途的扩大和稳定性方面面临着明显的挑战。这些挑战可能会限制它们在用于水净化的新型膜技术和其他应用（包括能源生产、有机溶剂纳滤和有机溶剂反渗透）中的广泛应用。模仿 AQP 的功能以实现更广泛的分子分离应用，仿生超分子人工水通道 (AWC) 已成为有前途的材料 。

　　然而，同时实现高单通道透水性和高传输选择性已被证明具有挑战性。事实上，在迄今为止报道的所有具有高选择性的 AWC 中，最近才报道了排斥盐分的自组装 AWC，它们以每秒 3.0 ×10^9 个水分子 的速率输送，大约是 AQP1 的 27%。内孔直径为 4.7 Å 的碳纳米管孔蛋白 (CNTP) 的水传导率是 AQP1 的 2.1 倍。然而，CNTP 也传导 Na+、K+ 和其他质子。

　　该研究报告了一类仿生的、螺旋折叠的成孔聚合物折叠体，可作为高选择性超快导水通道，其性能超过 AQPs（AQP1 每秒 1.1 × 10^10 水分子），具有内孔表面的模块化可调疏水性赋予的水对单价离子传输选择性。此处报道的性能最佳的 AWC 以异常高的速率传输水，即 AQP1 的 2.5 倍，同时排斥盐（NaCl 和 KCl）甚至质子。